阳极氧化的原理及相关知识
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阳极氧化的原理及相关知识
铝/铝合金阳极氧化的原理
内容:以铝或铝合金制品为阳极置于电解质溶液中,利用电解作用,使其表面形成氧
化铝薄膜的过程,称为铝及铝合金的阳极氧化处理。铝阳极氧化的原理实质上就是水电解的原理。当电流通过时,将发生以下的反应:
在阴极上,按下列反应放出H2 : 2H + +2e 宀H2
在阳极上,40H -4e T 2H2O + O2, 析出的氧不仅是分子态的氧(02),还包括原子氧(0),以及离子氧(0-2),通常在反应中以分子氧表示。作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化,形成无水的1203膜:4A1 + 302 = 2A12O3 + 3351J 应指出,生成的氧并不是全部与铝作用,一部分以气态的形式析出。阳极氧化的种类阳极氧化早就在工业上得到广泛应用。冠以不同名称的方法繁多,归纳起来有以下几种分类方法:按
电流型式分有:直流电阳极氧化;交流电阳极氧化;以及可缩短达到要求厚度的生产时间,膜层既厚又均匀致密,且抗蚀性显着提高的脉冲电流阳极氧化。按电解液分有:硫酸、草酸、铬酸、混合酸和以磺基有机酸为主溶液的自然着色阳极氧化。按膜层性质分有:普通膜、硬质膜(厚膜)、瓷质膜、光亮修饰层、半导体作用的阻挡层等阳极氧化。直流电硫酸阳极氧化法的应用最为普遍,这是因为它具有适用于铝及大部分铝
合金的阳极氧化处理;膜层较厚、硬而耐磨、封孔后可获得更好的抗蚀性;膜层无色
透明、吸附能力强极易着色;处理电压较低,耗电少;处理过程不必改变电压周期,有利于连续生产和实践操作自动化;硫酸对人身的危害较铬酸小,货源广,价格低等优点。近十年来,我国的建筑业逐步使用铝门窗及其它装饰铝材,它们的表面处理生产线
都是采用这种方法。
铝及铝合金阳极氧化法综述
近十年来,我国的铝氧化着色工艺技术发展较快,很多工厂已采用了新的工艺技术,并且在实际
生产中积累了丰富的经验。已经成熟和正在发展的铝及其合金阳极氧化工艺方法很多,可以根据实际生产需要,从中选取合适的工艺。
在选取氧化工艺之前,应对铝或铝合金材质情况有所了解,因为,材料质量的优劣、所含成份的不同,是会直接影响到铝制品阳极氧化后的质量的。关于这一点,洪九德、范济同志已有专门论述(参看《电镀与涂饰》1982 年第2 期P.27)。比如,铝材表面如有气泡、划痕、起皮、粗糙等缺陷,经阳极氧化后,所有疵病依然会显露出来。
而合金成份,对阳极氧化后的表面外观,也产生直接的影响。比如,含1〜2%锰的铝
合金,氧化后呈棕蓝色,随铝材中含锰量的增加,氧化后的表面色泽从棕蓝色到深棕色转化。含硅
0.6〜1.5%的铝合金,氧化后呈灰色,含硅3〜6%时,呈白灰色。含锌的呈乳浊色,含铬的呈金黄至灰色的不均匀色调,含镍的呈淡黄色。一般而言,只有含镁和含钛量大于5% 的铝含金,经氧化后可以得到无色透明且光亮、光洁的外观。
在选择好铝及铝合金材料后,自然就要考虑到选取合适的阳极氧化工艺。目前,我国广泛应用的硫酸氧化法、草酸氧化法及铬酸氧化法,均在手册、书刊上有过详细的介绍,不必赘述。本文谨就目前在国内正在发展中的一些新工艺,以及国外的一些方法,作扼要的介绍。
一、国内已发展的新工艺
(一)草酸- 甲酸混合液交流快速氧化
采用草酸-甲酸混合液,是因为考虑到甲酸是一种强氧化剂,在这样的槽液中,甲酸起到对
氧化膜内层(阻挡层和障壁层)加速溶解,从而使成为多孔层(即氧化膜外层)
的作用。这种槽液的导电率可以得到提高(即可提高电流密度),使氧化膜能快速生成。
与纯草酸氧化法相比,这种溶液能使生产率提高37.5% ,减少电耗量(草酸氧化法耗电量为3.32
度/平方米,此法为2 度/平方米),节约电力40% 。
工艺配方为:草酸4〜5%、甲酸0.55%,三相交流44 士2伏,电流密度2〜2.5A/d m2,温度30 ± C。
(二)混合酸氧化
此法于1976 年正式纳入日本国家标准,并为日本北星日轻家庭用品株式会社所采用。其特点是成膜快,膜的硬度、耐磨、耐腐蚀性能都比普通的硫酸氧化法高,膜层呈银白色,适用于印花、着色产品。我国铝制品行业赴日考察后,于1979 年开始推荐使用。其推荐工艺配方为:H2SO4 10〜20% , COOHCOOH 2H2O 1〜2%,电压10〜20V,电流密度1〜3A/d m ,温度15〜30 C,时间30分钟。
(三)瓷质氧化
瓷质氧化主要以铬酸、硼酸、草酸钛钾为电解质,用高电压和较高温度作电解处理。其膜层外观像瓷器上的釉,有高度的抗腐蚀性能,耐磨性能良好,膜层可用有机或无机的染料染色,使外观有特殊的光泽和色泽。目前多应用于铝炊具、打火机、金笔等产品上,很受群众喜爱。
(四)国防色氧化
国防色氧化主要应用在军用铝制品的装饰上,因而要求有特殊的防护作用。氧化膜呈军绿色、无光泽、耐磨耐用,防护性能良好。工艺是:首先进行草酸氧化,生成金
黄色膜层后,再用高锰酸钾20g/l 、H2SO41g/l 的溶液进行阳极氧化处理而成。沈阳铝制品厂曾应用此工艺生产军用水壶及炊具用品。
(五)多色氧化
将已染色而未封闭的阳极氧化层,用铬酸或草酸润湿,使CrO3 铺展,已染色的制品的部份表面在被CrO3 润湿后褪色,按需要在任意部份用水将草酸或铬酸洗去,一般可以停止与图象反应。然后再染第二次色或反复进行CrO3 揩拭、冲水、染色等程序,就可以根据需要出现花朵、云彩等图案。目前多应用在金杯、水杯、茶盒、打火机等产品。
(六)大理石花纹染色工艺把氧化后的制品先染第一道底色后,经干燥,再浸入表面浮有油脂的水中,再提起或浸入时,油脂和水分别自然流挂,使膜层呈不规则的条纹状的油脂所沾污。当再染第二道色时,氧化膜受油脂沾污处就染不上色,没有油脂的部位则染上第二种色调,形成如大理石花纹状的不规则图案。此法可见诸广东国营阳江小刀厂周守禹同志的文章(《电镀与涂饰》1982 年第2 期)。
(七)化学蚀刻氧化
铝制品经机械抛光及脱脂后,涂复掩蔽剂或感光,干燥后进行化学刻蚀(氟化物或铁盐类的浸蚀剂),形成凹凸图案。再经电化学抛光及阳极氧化,呈现出主体感很强的表面图案,能与不锈钢的表面外观相媲美。现多应用于金笔、茶盒及屏风等。
(八)常温快速阳极氧化
通常H2SO4氧化均需用降温设备,因而耗费大量电力。加入a羟基丙酸、丙三
醇后,能抑制氧化膜的溶解,从而可在常温下进行氧化。与普通的硫酸氧化法相比,膜层厚度可提高2 倍。推荐的工艺配方为:
H2SO4 150 〜160g/l